KIP-Veröffentlichungen

Die Langzeitfunktionalität von Perovskit basierten Solarzellen muss - für ihren kommerziellen Erfolg - ausgebaut werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die noch ungeklärte Rolle der Defekte in der sauerstoffbedingten Zersetzung von Methylammoniumbleitriiodid (MAPbI₃) zu verstehen. Indem wir die Eduktstöchiometrie MAI:(Pb(Ac)₂⋅3H₂O) von γ=2.96 auf 3.06 erhöhen, können wir die Defektlandschaft in MAPbI₃-Filmen von iodreich zu iodarm verändern. Die Behandlung der Filme mit exakt kontrollierten Mengen an Sauerstoff, Stickstoff und Licht erlaubt es uns, die Degradationsprozesse zu untersuchen.

Rasterkraftmikroskopbilder zeigen, dass die Korngröße in MAPbI₃bis γ=3.04 konstant bleibt, wonach sie stark abfällt, was vermutlich eine erhöhte Defektdichte in diesen Filmen zur Folge hat. Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie zeigt, dass die PL invers mit γ verknüpft ist, was sich in einem starken Unterschied zwischen der PL-Quanteneffizienz von 7.3% zu 0.3% für γ=2.96 bzw. 3.06 widerspiegelt. Das führen wir auf eine erhöhte Iodfehlstellendichte in iodarmen Filmen zurück. Sowohl die kontrollierte Degradation von dünnen Perovskitschichten, als auch die von Solarzellen lässt uns auf eine erhöhte Degradationsrate in iodarmen Perovskiten schließen. Für die γ= 3.04, 3.06 Solarzellen trat Hysterese auf, die durch die kleine Korngröße ausgelöst, und durch Licht- und Sauerstoffbehandlung eingedämmt werden kann. Unsere Resultate tragen zur Klärung der Rolle der Defekte in der Langzeitfunktionalität der Perovskit basierten Solarzellen bei.

Außerdem untersucht diese Arbeit die durch das Edukt Pb(Ac)₂⋅3H₂O ausgelösten Schwierig- keiten der Reproduierbarkeit. Wir schließen Veränderungen in der Korngröße und der chemis- chen Zusammensetzung in MAPbI₃-Filmen als mögliche Ursachen aus.

Perovskite-based solar cells are held back from commercialisation mainly by their lack of long term stability. The role of defects in oxygen-light-induced degradation processes of methylam- monium lead triiodide (MAPbI₃) perovskite is as of yet unclear and is the focus of this thesis. By gradually tuning the ratio of the solution precursors MAI:(Pb(Ac)₂3H₂O) from γ=2.96-3.06, we adjust the defect composition in MAPbI₃from iodine poor to iodine rich. Exposing samples to a controlled environment with a precise composition of oxygen, nitrogen and light, allows us to understand the impact of the environment on the perovskite films and devices.

Atomic force microscope (AFM)-imgaes show that the grain size of MAPbI₃is unaffected by stoichiometry up to the γ = 3.04, 3.06 samples where the grain size shrinks drastically, pre- sumably causing an increased defect density. Photoluminescence (PL) spectroscopy of pristine thin films reveals that the increasing γ causes the steady state PL quantum efficiency (PLQE) to decrease from 7.3% to 0.3%. We attribute this inverse dependency to an increase in the iodine interstitial to vacancy ratio. Studies under a controlled environment reveal that samples depleted of MAI show greater reactivity to oxygen and thus faster degradation. This agrees with equivalent tests on high quality solar cells (power conversion efficiency (PCE) max =18.0%) that postulate stoichiometry dependent stability. Increasing γ causes the retained fraction of PCE after the treatment to range from 54% to 126%. We attribute the faster degradation rates for low γ to a higher density of iodine vacancies in the perovskite layer. For the γ= 3.04, 3.06 solar cells we observed hysteresis that we trace back to the smaller grain size. The treatment-induced performance improvement is directly connected to hysteresis healing for these samples. Our re- sults help clarifying the impact that defects have on the performance stability of MAPbI₃-based solar cells.

Additionally, we discuss reproducibility issues due to irregularities in the industrially pro- duced Pb(Ac)₂⋅3H₂O precursor. We successfully eliminate microstructure and the chemical composition in perovskite thin films as potential causes for this issue.